一种星载大能量双波长单频脉冲激光器
阅读说明：本技术 一种星载大能量双波长单频脉冲激光器 (Satellite-borne large-energy dual-wavelength single-frequency pulse laser ) 是由 赵一鸣 李静 周永升 叶青 姜国庆 于勇 李凉海 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种星载大能量双波长单频脉冲激光器,包括种子激光器系统、从动激光器、注入锁定控制器系统、一级放大系统、二级放大系统和倍频系统。采用连续种子注入至从动激光器实现单频脉冲激光输出,在从动激光器中采用调节电光Q开关的电压实现谐振腔的输出耦合透过率调节,Q开关上加的电压越低,输出透过率越高,电光Q开关的工作电压由几千伏降低至几百伏,大大降低了技术风险,避免了在星上使用高压组件,提高了激光器的可靠性；采用两级高效放大器,实现大能量单频高光束质量的基频光输出；采用高效倍频技术实现两波长激光输出,适用于多平台应用,尤其是星载平台。(The invention provides a satellite-borne large-energy dual-wavelength single-frequency pulse laser which comprises a seed laser system, a driven laser, an injection locking controller system, a primary amplification system, a secondary amplification system and a frequency doubling system. Continuous seeds are injected into a driven laser to achieve single-frequency pulse laser output, the voltage of an electro-optical Q switch is adjusted in the driven laser to achieve output coupling transmittance adjustment of a resonant cavity, the lower the voltage applied to the Q switch, the higher the output transmittance, the lower the working voltage of the electro-optical Q switch is from thousands of volts to hundreds of volts, technical risks are greatly reduced, a high-voltage component is prevented from being used on the satellite, and the reliability of the laser is improved; the two-stage high-efficiency amplifier is adopted to realize the output of the fundamental frequency light with large energy, single frequency and high beam quality; the high-efficiency frequency doubling technology is adopted to realize the output of two-wavelength laser, and the method is suitable for multi-platform application, in particular to a satellite-borne platform.)
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种星载大能量双波长单频脉冲激光器。
背景技术
激光遥感技术是一种主动遥感探测技术，具有探测精度高分辨率高、可全天候工作、体积小重量轻等优势。激光遥感技术广泛应用在测距、测速、大气探测、海洋探测和军事等领域。
在空间激光遥感领域，单频窄线宽的脉冲激光器是高光谱分辨率激光雷达、大气风场探测激光雷达和温室气体差分吸收激光雷达的核心探测光源。利用单频窄线宽激光探测光源和滤波器，高光谱分辨率激光雷达可以从大气散射中分离米散射和瑞利散射光谱，从而可以实现高精度的定量的气溶胶浓度探测，实现高精度的大气颗粒物光学参数探测，大大提高后级大气颗粒物质量浓度、粒子半径等微物理参数反演的准确性。
高空间分辨力和高时间分辨力的测风对大气建模和预测各种大气现象尤为重要。美国NASA、欧洲ESA多次组织专家论证共同认为：“星载激光多普勒测风雷达是唯一的可直接测量全球风剖面的仪器，能以前所未有的覆盖区域和精度给出全球三维风场数据。”星载激光测风雷达的时空分辨力高、速度分辨力高、测速范围广、抗干扰能力强，同时具有全天候、运行轨道高、观测视野广、不受观测区域限制等优点，成为全球范围内直接获得三维风场廓线有力的测量工具。星载激光测风雷达可以提供高精度的全球风场模型和数值天气预报，为数值天气预报和气候科学研究提供全新数据，明显提升气象服务业务能力。无论是直接探测还是相干探测的测风激光雷达，其激光探测光源都需要具有单频窄线宽、高频率稳定等特点。
CO2是主要温室气体之一。利用空间大能量单频窄线宽激光器作为探测光源，星载CO2探测激光雷达可以实现对全球范围内CO2浓度和分布的探测，可以对天气和气候的形成和变化提供数据依据，可以对灾害性天气和气候进行预报和分析，还可以促进对气候变化、全球碳循环的认知和预测，从而更好地改善地球环境。
星载高光谱分辨率激光雷达、星载大气风场探测激光雷达和星载温室气体差分吸收激光雷达均要求探测光源输出大能量、单频窄线宽、高稳定性、高光束质量的脉冲激光。单个激光器很难实现上述技术指标。一般采用注入锁定技术方案，将一束单频连续种子激光注入到从动激光器中，将从动激光器的频率锁定在种子激光频率上，实现单频脉冲激光输出，然后经过多级放大器实现大能量单频脉冲激光输出。另外一种方案是将单频连续的种子激光进行AOM斩波成脉冲激光，然后通过多级放大器实现单频脉冲激光输出。
但是这两种方案都不能适用于多平台，尤其是高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达、星载测风激光雷达、和星载测距激光雷达等探测光源。
发明内容
本发明是为了解决星载平台激光雷达基频光输出的问题，提供一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，采用连续种子注入至从动激光器实现单频脉冲激光输出，在从动激光器中采用调节电光Q开关的电压实现谐振腔的输出耦合透过率调节，Q开关上加的电压越低，输出透过率越高，电光Q开关的工作电压由几千伏降低至几百伏，大大降低了技术风险，避免了在星上使用高压组件，提高了激光器的可靠性；采用两级高效放大器，实现大能量单频高光束质量的基频光输出；采用高效倍频技术实现两波长激光输出。
本发明提供一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，包括依次设置的用于提供种子激光的种子激光器系统、用于输出单频脉冲激光的从动激光器、用于在探测到谐振信号最高峰时向从动激光器提供触发信号的注入锁定控制器系统、用于耦合及一级功率放大的一级放大系统、用于耦合及二级功率放大的二级放大系统和用于倍频输出多波长激光的倍频系统；
从动激光器包括依次设置的偏振分光棱镜、第一45°高反镜、RTP相位调制器、第一45°全反镜、板条晶体、第二45°全反镜、电光Q开关、第一1/2波片和设置在板条晶体一侧的泵浦源，偏振分光棱镜在第一1/2波片的输出光路上；
锁定控制器系统包括与RTP相位调制器、电光Q开关电连接的注入锁定控制器和与锁定控制器电连接的设置在第一45°高反镜一侧的光电探测器；
偏振分光棱镜用于将P偏振态种子激光注入至第一45°高反镜以及输出单频脉冲激光至一级放大系统，RTP相位调制器用于在注入锁定控制器的控制下调节从动激光器光学腔长，电光Q开关用于通过电压调节输出耦合透过率，光电探测器用于探测谐振信号并反馈给注入锁定控制器，注入锁定控制器用于在探测光电探测器输出的谐振信号最高峰时向电光Q开关提供触发信号。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，第一45°高反镜、第一45°全反镜和第二45°全反镜用于进行光路转折，第一45°高反镜与偏振分光棱镜输出光路成45°，第一45°全反镜与RTP相位调制器输出光路成45°，第二45°全反镜与板条晶体输出光路成45°；
泵浦源为LD泵浦。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，第一45°高反镜为反射1064nm波长光的45°高反镜，第一45°全反镜、第二45°全反镜均为反射1064nm波长光的45°全反镜，板条晶体为Nd:YAG板条晶体，泵浦源为产生808nm波长振荡光的的LD泵浦，单频脉冲激光为1064nm单频激光。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，种子激光器系统包括依次设置的种子激光器、隔离器、第二1/2波片和第三45°全反镜；
第三45°全反镜位于偏振分光棱镜的入射光路上。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，种子激光器为单块非平面环形腔，种子激光器输出连续的1064nm单频激光，第三45°全反镜为反射1064nm波长光的45°全反镜。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，一级放大系统包括依次设置的第一45°反射镜、第一耦合透镜组、第三1/2波片、第二45°反射镜和一级放大器；
第一45°反射镜设置在偏振分光棱镜的输出光路上，第一45°反射镜与偏振分光棱镜输出光路成45°，第二45°反射镜与第三1/2波片输出光路成45°。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，第一45°反射镜和第二45°反射镜均为反射1064nm波长光的45°反射镜，一级放大器用于输出一级放大的1064nm激光。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，二级放大系统包括依次设置的第二耦合透镜组、第三45°反射镜、第四45°反射镜和二级放大器；
第二耦合透镜组设置在一级放大系统输出的光路上，第三45°反射镜与第二耦合透镜组输出光路成45°，第四45°反射镜与第三45°反射镜输出光路成45°。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，第三45°反射镜和第四45°反射镜均为反射1064nm波长光的45°反射镜，二级放大器用于输出二级放大的1064nm激光。
本发明所述的一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，作为优选方式，倍频系统包括依次设置的第四1/2波片、第三耦合透镜组和倍频晶体，第四1/2波片设置在二级放大系统输出的光路上；
倍频晶体用于输出1064nm单频激光和532nm单频激光。
RTP相位调制器为采用磷酸钛氧铷(RTP)电光晶体的相位调制器。
种子激光器采用单块非平面环形腔的设计，输出连续的高光束质量的1064nm单频激光，经过隔离器、第二1/2波片和1064nm的第三45°全反镜以p偏振态由偏振分光棱镜注入到从动激光器中；从动激光器的谐振腔由偏振分光棱镜、1064nm的第一45°高反镜、RTP相位调制器、1064nm的第一45°全反镜、808nmLD泵浦源、Nd:YAG板条晶体、1064nm的第二45°全反镜、电光Q开关、第一1/2波片组成；在电光Q开关上施加高压，可以改变振荡光的偏振态，偏振分光棱镜作为输出镜输出p偏振态的激光；不同的电压值对应不同的输出透过率，将一般电光Q开关需要的几千伏的电压降低至几百伏，大大降低了空间激光器对有限的卫星资源的占用；RTP相位调制器在注入锁定控制器的控制下实现从动激光器光学腔长的变化，光电探测器探测谐振信号并反馈给注入锁定控制器，在探测到谐振信号最高峰时，注入锁定控制器给出电光Q开关的触发信号，从动激光器2经偏振分光棱镜输出单频脉冲激光；从动激光器2输出的单频脉冲激光经过1064nm的第一45°反射镜、第一耦合透镜组、第三1/2波片、1064nm的第二45°反射镜入射到一级放大器中，再经过第二耦合透镜组、1064nm的第三45°反射镜、1064nm的第四45°反射镜入射到二级放大器中，进行高效两级放大，获得百毫焦量级的1064nm单频脉冲激光输出；放大后的1064nm单频脉冲激光经第四1/2波片、第三耦合透镜组入射到倍频晶体中，实现高效倍频，获得高光束质量的1064nm和532nm单频激光输出。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用连续种子注入至从动激光器实现单频脉冲激光输出，通过RTP相位调制器实现种子激光的注入锁定，获得高稳定性的单频脉冲激光输出；
(2)本发明通过Nd:YAG板条作为从动激光器的增益介质，提升了第一级单频脉冲激光的输出能量，降低了后续放大器的压力；
(3)本发明在从动激光器中采用调节电光Q开关的电压实现谐振腔的输出耦合透过率调节，同时通过调节施加在电光Q开关上的电压来改变从动激光器谐振腔的输出透过率，大大降低了Q开关的驱动电压，将电光Q开关的工作电压由几千伏降低至几百伏，大大降低了技术风险，避免了在星上使用高压组件，提高了激光器的可靠性；
(4)本发明采用两级高效放大器，实现大能量单频高光束质量的基频光输出；采用高效倍频技术实现两波长激光输出；
(5)本发明实现大能量单频双波长脉冲激光输出。谐振腔环境适应性强，且电光调Q电压低，适用于空间环境应用；采用本方案激光器设计，通过不同尺寸的激光晶体以及与之匹配的泵浦源，以及增加放大级，可实现多种能量级别的单频高稳定性脉冲空间激光器。
(6)本发明适用于多平台应用，尤其是星载平台，可作为星载高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达、星载测风激光雷达、和星载测距激光雷达等探测光源。
附图说明
图1为一种星载大能量双波长单频脉冲激光器实施例1结构示意图；
图2为一种星载大能量双波长单频脉冲激光器实施例2结构示意图。
附图标记：
1、种子激光器系统；11、种子激光器；12、隔离器；13、第二1/2波片；14、第三45°全反镜；2、从动激光器；21、偏振分光棱镜；22、第一45°高反镜；23、RTP相位调制器；24、第一45°全反镜；25、板条晶体；26、第二45°全反镜；27、电光Q开关；28、第一1/2波片；29、泵浦源；3、注入锁定控制器系统；31、注入锁定控制器；32、光电探测器；4、一级放大系统；41、第一45°反射镜；42、第一耦合透镜组；43、第三1/2波片；44、第二45°反射镜；45、一级放大器；5、二级放大系统；51、第二耦合透镜组；52、第三45°反射镜；53、第四45°反射镜；54、二级放大器；6、倍频系统；61、第四1/2波片；62、第三耦合透镜组；63、倍频晶体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，包括依次设置的用于提供种子激光的种子激光器系统1、用于输出单频脉冲激光的从动激光器2、用于在探测到谐振信号最高峰时向从动激光器2提供触发信号的注入锁定控制器系统3、用于耦合及一级功率放大的一级放大系统4、用于耦合及二级功率放大的二级放大系统5和用于倍频输出多波长激光的倍频系统6；
从动激光器2包括依次设置的偏振分光棱镜21、第一45°高反镜22、RTP相位调制器23、第一45°全反镜24、板条晶体25、第二45°全反镜26、电光Q开关27、第一1/2波片28和设置在板条晶体25一侧的泵浦源29，偏振分光棱镜21在第一1/2波片28的输出光路上；
锁定控制器系统3包括与RTP相位调制器23、电光Q开关27电连接的注入锁定控制器31和与锁定控制器31电连接的设置在第一45°高反镜22一侧的光电探测器32；
偏振分光棱镜21用于将P偏振态种子激光注入至第一45°高反镜22以及输出单频脉冲激光至一级放大系统4，RTP相位调制器23用于在注入锁定控制器31的控制下调节从动激光器2光学腔长，电光Q开关27用于通过电压调节输出耦合透过率，光电探测器32用于探测谐振信号并反馈给注入锁定控制器31，注入锁定控制器31用于在探测到光电探测器32输出的谐振信号最高峰时向电光Q开关27提供触发信号。
实施例2
如图2所示，一种星载大能量双波长单频脉冲激光器，包括依次设置的用于提供种子激光的种子激光器系统1、用于输出单频脉冲激光的从动激光器2、用于在探测到谐振信号最高峰时向从动激光器2提供触发信号的注入锁定控制器系统3、用于耦合及一级功率放大的一级放大系统4、用于耦合及二级功率放大的二级放大系统5和用于倍频输出多波长激光的倍频系统6；
种子激光器系统1包括依次设置的种子激光器11、隔离器12、第二1/2波片13和第三45°全反镜14；
种子激光器11为单块非平面环形腔，种子激光器11输出连续的1064nm单频激光，第三45°全反镜14为反射1064nm波长光的45°全反镜；
从动激光器2包括依次设置的偏振分光棱镜21、第一45°高反镜22、RTP相位调制器23、第一45°全反镜24、板条晶体25、第二45°全反镜26、电光Q开关27、第一1/2波片28和设置在板条晶体25一侧的泵浦源29，偏振分光棱镜21在第一1/2波片28的输出光路上；
第一45°高反镜22、第一45°全反镜24和第二45°全反镜26用于进行光路转折，第一45°高反镜22与偏振分光棱镜21输出光路成45°，第一45°全反镜24与RTP相位调制器23输出光路成45°，第二45°全反镜26与板条晶体25输出光路成45°；
泵浦源29为LD泵浦；
第一45°高反镜22为反射1064nm波长光的45°高反镜，第一45°全反镜24、第二45°全反镜26均为反射1064nm波长光的45°全反镜，板条晶体25为Nd:YAG板条晶体，泵浦源29为产生808nm波长振荡光的的LD泵浦，单频脉冲激光为1064nm单频激光；
第三45°全反镜14位于偏振分光棱镜21的入射光路上；
锁定控制器系统3包括与RTP相位调制器23、电光Q开关27电连接的注入锁定控制器31和与锁定控制器31电连接的设置在第一45°高反镜22一侧的光电探测器32；
偏振分光棱镜21用于将P偏振态种子激光注入至第一45°高反镜22以及输出单频脉冲激光至一级放大系统4，RTP相位调制器23用于在注入锁定控制器31的控制下调节从动激光器2光学腔长，电光Q开关27用于通过电压调节输出耦合透过率，光电探测器32用于探测谐振信号并反馈给注入锁定控制器31，注入锁定控制器31用于在探测到光电探测器32输出的谐振信号最高峰时向电光Q开关27提供触发信号；
一级放大系统4包括依次设置的第一45°反射镜41、第一耦合透镜组42、第三1/2波片43、第二45°反射镜44和一级放大器45；
第一45°反射镜41设置在偏振分光棱镜21的输出光路上，第一45°反射镜41与偏振分光棱镜21输出光路成45°，第二45°反射镜44与第三1/2波片43输出光路成45°；
第一45°反射镜41和第二45°反射镜44均为反射1064nm波长光的45°反射镜，一级放大器45用于输出一级放大的1064nm激光；
二级放大系统5包括依次设置的第二耦合透镜组51、第三45°反射镜52、第四45°反射镜53和二级放大器54；
第二耦合透镜组51设置在一级放大系统4输出的光路上，第三45°反射镜52与第二耦合透镜组51输出光路成45°，第四45°反射镜53与第三45°反射镜52输出光路成45°；
第三45°反射镜52和第四45°反射镜53均为反射1064nm波长光的45°反射镜，二级放大器54用于输出二级放大的1064nm激光；
倍频系统6包括依次设置的第四1/2波片61、第三耦合透镜组62和倍频晶体63，第四1/2波片61设置在二级放大系统5输出的光路上；
倍频晶体63用于输出1064nm单频激光和532nm单频激光。
实施例1-2的使用方法如下：
种子激光器11采用单块非平面环形腔的设计，输出连续的高光束质量的1064nm单频激光，经过隔离器12、第二1/2波片13和1064nm的第三45°全反镜14以p偏振态由偏振分光棱镜偏振分光棱镜21注入到从动激光器2中；从动激光器2的谐振腔由偏振分光棱镜21、1064nm的第一45°高反镜22、RTP相位调制器23、1064nm的第一45°全反镜24、808nmLD泵浦源29、Nd:YAG板条晶体25、1064nm的第二45°全反镜26、电光Q开关27、第一1/2波片28组成；在电光Q开关27上施加高压，可以改变振荡光的偏振态，偏振分光棱镜21作为输出镜输出p偏振态的激光；不同的电压值对应不同的输出透过率，将一般电光Q开关需要的几千伏的电压降低至几百伏，大大降低了空间激光器对有限的卫星资源的占用；RTP相位调制器23在注入锁定控制器31的控制下实现从动激光器光学腔长的变化，光电探测器32探测谐振信号并反馈给注入锁定控制器31，在探测到谐振信号最高峰时，注入锁定控制器31给出电光Q开关27的触发信号，从动激光器2经偏振分光棱镜21输出单频脉冲激光；从动激光器2输出的单频脉冲激光经过1064nm的第一45°反射镜41、第一耦合透镜组42、第三1/2波片43、1064nm的第二45°反射镜44入射到一级放大器45中，再经过第二耦合透镜组51、1064nm的第三45°反射镜52、1064nm的第四45°反射镜53入射到二级放大器54中，进行高效两级放大，获得百毫焦量级的1064nm单频脉冲激光输出；放大后的1064nm单频脉冲激光经第四1/2波片61、第三耦合透镜组62入射到倍频晶体63中，实现高效倍频，获得高光束质量的1064nm和532nm单频激光输出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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